应用于重油电站的集散控制系统研究

於宇琛，杨传将，沈明星

(中国船舶重工集团公司第七一二研究所，湖北 武汉 430064)

0 引言

作为一种新型的监控系统，集散控制系统(以下简称系统)近年来被广泛应用于电站控制领域，逐步取代了操作盘台与控制模块相结合的传统手操系统。它将计算机、自动化、网络通讯和电站运行管理等技术紧密结合在一起，具有数据采集、数据存储、自动控制、保护联锁和历史数据记录等功能，使电站的控制和管理水平得到了全面提高[1]。

基于机电管控一体化思想，本系统根据电气、机械和监控方面的要求，采用合理的硬件配置和网络结构，使系统具有实时性强，稳定性好和可靠性高的特点。系统通过PLC和智能模块对现场设备进行逻辑控制和数据采集，通过监控组态软件对现场设备的运行状态进行显示、记录和调整，以实现对电站的自动化监控。

1 系统组成

系统包含各种变量共计约4 000点，数量庞大，逻辑复杂，属于大中型集散控制系统。根据硬件配置和控制要求，系统共分为四个子系统:输入输出系统、过程控制系统、中央监控系统和数据通讯系统[2]。

1.1 输入输出系统

输入输出系统是系统与电站各部分的接口。输入系统主要用于检测现场设备，由用于检测转速、压力、温度、液位、电压、电流和频率等的各类检测装置组成。输出系统主要用于控制现场设备，由继电器、功率控制器、调速器和调压器等执行装置组成。现场设备主要包括发电机组、公用电气辅机和公用机械辅机。发电机组包括重/柴油机、发电机、高温水、低温水、喷嘴水、滑油和空冷系统;公用电气辅机包括高压变、11kV和480 V厂用开关、应急柴油机、直流和UPS系统;公用机械辅机包括燃油储存、燃油输送、压缩空气、水处理和余热锅炉系统。

1.2 过程控制系统

过程控制系统是系统的核心，实现系统的主要控制功能，由带有数值计算和逻辑判断功能的微处理器组成。

过程控制系统由机旁控制系统、机组控制系统、机械辅机控制系统和电气辅机控制系统组成。过程控制系统一方面采集现场传感器、变送器、执行装置和其他设备的实时运行数据及状态信号，并控制相关设备运行;另一方面将系统的数据信息通过现场总线上传到中央监控系统，并接收中央监控系统发出的命令。

过程控制系统硬件采用西门子公司SIMATIC S7－300系列产品，具有可靠性高，结构紧凑，硬件齐全，接口丰富和扩展方便的特点。编程软件采用与硬件相配套的STEP 7，易于组态、编程和维护[3]。

1.3 中央监控系统

中央监控系统是系统的可视化人机界面部分，用于实现人与系统的信息交换，通过数据通讯系统实现监控人员对过程控制系统和现场设备的监控，由操作员站，工程师站和打印机组成。

操作员站与工程师站的硬件平台采用研华公司的IPC610H系列工控机，软件平台为微软公司的视窗化操作系统 Windows XP，监控组态软件采用西门子公司的 WinCC。WinCC是一款强大的数据监控处理系统，具有高扩展性的C脚本编程系统和开放性的SQL数据库系统，能与过程控制系统实现无缝集成，使整个系统具有统一的组态和编程方式，统一的数据管理和通讯功能，从而实现复杂的控制要求[4]。

1.4 数据通讯系统

数据通讯系统主要用于系统中数据的实时传递，由设备层、控制层和监控层网络组成，并预留出与调度管理层的通讯接口[5]。

设备层网络是PLC与智能模块和电气仪表之间的通讯连接网络，采用Profibus总线和Modbus总线相结合的通讯方式，以满足现场设备的多样性要求;控制层网络是过程控制系统内部的通讯连接网络，采用 Profibus总线通讯方式，实现各 PLC之间及PLC与远程分布式I/O之间的数据通讯，以满足过程控制系统的实时性和可靠性要求;监控层网络是中央监控系统操作员站与工程师站之间，及中央监控系统与过程控制系统之间的通讯连接网络，采用Profinet工业以太网总线通讯方式，使系统具有良好的开放性和高效稳定的传输性。

数据通讯系统通过将三层网络结构立体地结合在一起，优势互补，提高了系统的整体性能。电站集散控制系统组成结构如图1所示。

图1 电站集散控制系统组成结构图

2 系统功能

系统功能分为过程控制系统功能和中央监控系统功能。前者主要包括:监控发电机组、公用机械设备及电气设备的运行状态;控制发电机组与电网之间的同步;实现发电机组的负载增减、分配和保护。后者主要用于在中央监控系统中对系统运行状态及故障报警信号进行监控和记录。

2.1 过程控制系统功能

过程控制系统功能主要包括模拟量控制系统、顺序控制系统和电气控制系统。

模拟量控制系统用于实现余热锅炉模块、发电机组和辅机的自动调整，主要包括发电机组转速的PID控制、发电机组负荷的控制、锅炉压力的非线性控制和联锁保护。

顺序控制系统用于实现发电机组和辅机的顺序控制和联锁保护，主要包括公用机械辅机控制、机组机械辅机控制、紧急停机保护联锁控制、柴油机的启动、降负荷和停止控制。

电气控制系统用于实现电气辅机的监视、操作控制和相应的联锁保护，主要包括厂用开关系统、机组出口断路器、机组调速、自动同期、机组出口电压调节、直流系统和厂用UPS系统控制。

2.2 中央监控系统功能

中央监控系统用于对电站的监视和操作，包括发电机组、机械辅机和电气辅机的参数监视、报警和操作，对各种数据记录进行打印和归档[6]。中央监控系统功能结构图如图2所示。

图2 中央监控系统功能结构图

主界面具有时间显示、操作人员显示、语言切换、画面切换、实时报警显示、重要参数显示和用户管理等功能;机械辅机界面用于监控电站公用机械辅机和机组机械辅机;电气辅机界面用于监控电站公用电气辅机和发电机;报表界面用于显示并打印发电机组功率、运行时间、发电量、及重要的电气和机械参数等，供运行管理人员进行分析和统计;日志界面用于显示和查询报警记录、操作记录、状态记录和事件顺序记录等。

3 系统分析

3.1 技术难点

以下就系统设计与调试过程中遇到的一些技术问题进行分析研究。

报警分级问题。报警信号:提示系统正常运行已受到轻微影响，在信号消失后自动复位，允许延迟至机组停机检修时就报警信号进行处理。故障信号:提示系统正常运行已受到一定影响，提醒运行人员前往现场处理，此信号需要手动复位。紧急停机信号:提示系统正常运行已受到严重影响，信号出现时发电机组将紧急停机，并引起系统联锁反应。这类信号全部录入事件顺序记录系统，此信号需要找到首出故障，分析故障原因后逐层复位。

报表侧重点问题。报表是电站运行管理中的重要组成部分。系统采集电站各部分的数据，汇总成报表形式提交给电站运行管理人员以便查看和存档。报表应侧重于提供重要的标志性参数和经济性指标，而非详细罗列各类运行数据，甚至替代运行值班人员的巡视检查和正常抄表工作。

1)信号传输问题。信号传输问题分为状态信号上行传输问题和控制信号下行传输问题两部分。

状态信号上行传输问题:由于系统变量点数众多，对于一些重要程度偏低且变化周期较长的报警和状态信号，采用合并上传，变化更新的策略(对于故障信号、紧急停机信号和重要的状态信号，采用传统的单点上传，周期扫描策略，保证系统对于重要信号的实时性响应)。合并上传具体步骤如下:

(1)在过程控制系统中将报警和状态信号值按地址顺序排列，由布尔值整合成长整型值，假设32个报警和状态信号的内部变量名从F0到F31。在WinCC中将读出这个长整型值，设变量名称为A。

(2)在WinCC全局脚本C语言程序中，通过添加程序，将长整型值A分开成为32个布尔值，对应F0到F31，用于报警显示或者其他逻辑控制。全局脚本C语言部分程序如下:

union{long Dword;BOOL Bool[32];}Union; //声明一个共同体，使长整型变量和32个布尔变量共用内存空间。

Union.Dword=GetTagDWord("A"); //将 A 赋值给共同体中的长整形变量。

SetTagBit("F0"，(Union.Dword ＆ 0x0001)); //将长整型变量与1做按位与运算并赋值给内部变量F0。

SetTagBit("F1"，(Union.Dword ＞ ＞ 1 ＆ 0x0001)); //将长整型变量右移一位与1做按位与运算并赋值给内部变量F1。

依此类推，得出从F0到F31的值。

(3)只有当A的值发生变化的时候，才更新A的值，起到降低网络通讯负担，提高系统运行速度的目的。

2)控制信号下行传输问题:对于一般控制信号采用编码形式传输，用字传输取代位传输，采用共用变量，编码传输的策略，使多个控制信号共用一个变量，减少了信号占用的变量点数，提高了信号传输的准确性，降低了系统误动作的概率(对于重要的控制信号，采用独用变量，编码传输的方式，保证系统控制的准确快速)。共用变量具体步骤如下:

(1)将控制信号编写成16位二进制代码，不同的控制信号采用不同的代码。假设有控制信号 B和 C，控制代码分别为0x0001和0x8000，使用共同的字变量D。上位机将控制信号B和C下发至PLC中。

(2)在PLC中解析字节变量D，经过程序比较，PLC接收到控制信号B和C并响应。PLC中控制信号 B的解析比较程序如下:

L D

L 0x0001

==I //将字变量D和控制信号B的代码比较。

S B //如果D与B相同，则响应控制信号B。

3.2 改进空间

根据此电站和该国电网的实际情况，随着电站运行过程中各类反馈信息的累积，系统性能在以下方面仍有潜在的提升空间。

(1)自诊断故障专家系统:在系统完成故障信号的采集后，通过推理策略和解释机制，实现具有学习和诊断功能的故障专家系统，帮助运行管理人员准确快速地找出故障原因，并为避免同类故障再次发生提供参考依据。

(2)数据网络发布系统:在国情和地理条件允许的情况下，电站运行数据被采集到中央监控系统后，通过网络提交给电站管理决策层及电网调度部门，用于提高电站和电网的智能化程度，使电网对电站的调度更加的便捷。

4 结束语

系统在此电站中的运用，使得操作界面简洁直观，设备状态一目了然，运行人员在中央监控室便可方便准确地监控电站的运行状态。电站建成发电后，系统运行稳定，即使在设备出现故障时，系统也能通过声光报警及时通知值班人员，防止故障升级和事故发生。

系统提高了电站的运行管理和自动化控制水平，保证了电站安全、可靠和高效地运行。系统通过对电站各部分的精确控制，提高了能源利用率，降低了环境污染。随着计算机技术和电气自动化控制水平的不断提高，系统将向着更加智能化、合理化和人性化方向发展。

[1]池永，李伯俊.200MW火电机组电气系统 DCS改造[J].热电技术，2004 ，26(1):29－31.

[2]黄德先，王京春，金以慧.过程控制系统[M].北京:清华大学出版社，2011:442 －447.

[3]廖常初.S7－300/400应用技术(第二版)[M].北京:机械工业出版社，2008:355 －383.

[4]苏昆哲.深入浅出西门子WinCC V6(第二版)[M].北京:航空航天大学出版社，2004:3－9.

[5]张东.工业过程控制与计算机信息管理[M].北京:清华大学出版社，2010:128 －165.

[6]吴松，管庆相.DCS系统组态的设计思想[J].东北电力技术，2002，23(7):11－13.